电力建筑变形监测数据处理与分析方法研究

张润贤 张道轻

（1.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.河南省征地储备中心，河南 郑州 450016）

1 引言

电力工业为各行各业提供能源，是国民经济基础行业。电力安全监督是保障电力安全生产的有效措施，国内外电力行业对其都非常重视[1]。针对电力安全监督工作中地质灾害风险较高的重点区域，对建筑物、输电线路杆塔及周边环境进行监测，能够科学、准确、及时地分析和预报建筑物、输电线路地质灾害风险状态，为及时采取防治措施和灾后应急处置提供技术依据，对保障输电线路安全运行和输电线路防灾减灾具有重要意义。

随着变形监测技术手段的日益丰富，除了水准仪、全站仪等传统仪器和方法外，激光扫描仪、摄影测量、卫星遥感等新设备新技术得到了广泛应用[2-3]，监测数据的类型也变得更加复杂多样，对数据的安全性、权威性和不同处理系统的通用性提出了更高要求。本文以华测位移监测系统在重庆某电力建筑物监测中的应用为例进行分析，结合电力建筑变形监测项目实践数据，分析了电力建筑变形监测数据处理过程中有关数据管理和处理分析的方法，并通过软件系统进行了验证。

2 华测位移监测系统介绍

基于北斗卫星高精度差分定位技术（如图1 所示），华测位移监测系统采用监测基准点区域组网的模式，实现监测基准统一，进而实现对监测目标进行位移、变形沉降、裂缝等地质灾害隐患点的实时动态监测。采用的GNSS 地表变形高精度监测设备，包括GNSS 双频接收机、GNSS 天线、防雷模块、一体化机箱，集数据采集存储、数据通信传输、智能供电及防雷功能于一体，满足各种应用需求。系统设备安装如图2 所示。

图1 北斗卫星差分示意图

图2 华测位移监测系统设备安装

基于GNSS 地表沉降、变形自动监测设备，管理人员可实时掌握地质灾害隐患点表面变化量，对各监测点长期连续跟踪观测卫星信号，基于北斗地基增强技术，结合北斗地基增强系统的观测数据与起算坐标，实现高精度的精准监测，最终得到各监测点的三维坐标，以及毫米级的高精度形变量，可有效提高地质灾害的预警预报能力，为防灾减灾提供实时信息服务，为政府部门提供决策支持、风险评价及处置方案评估服务。

3 项目概况

项目位于重庆，目前使用的特高压±800 千伏复奉直流、锦苏直流，±500 千伏张长、张隆、张恩直流输电线路主网架输电线路遍布重庆全境。线路途经綦江、南川、涪陵、彭水、黔江等地，处于渝东南川鄂湘黔隆褶带的武陵山大山脉。环境恶劣、地质地形复杂、气候多变，山区地质灾害种类较多，极易导致输电线路杆塔及基础的倾斜、变形、沉降，严重威胁输电线路安全运行，且灾后工程治理难度和成本巨大。

通过华测位移监测系统对项目区域的建筑物、输电线路杆塔进行实时动态监测，其技术优势体现在：①在电力塔周边的滑坡表面建立监测点进行监测，建立较完整的监测剖面和监测网，使之成为系统化、立体化的形变监测系统。②及时快速地对滑坡表部形变现状做出评价分析，及时发布预警信息。③建立长期监测系统，对电力塔周边的滑坡地形进行长期的分析研究，为同类工程积累经验。

4 数据格式转换

处理变形监测数据时，无论是沉降还是水平位移计算，都是利用平差软件生成平差报告，根据获得的高程和坐标进行变形量的计算分析。当前平差软件较多，如南方平差2002、2005 以及科傻平差、清华三维平差软件等。不同软件生成的报告文件内容排版有所差别，文件类型不一，在数据处理前需人工提取数据，不仅浪费人力，还极易出现错误。因此，研究一种将多类数据文件转换成统一格式的方法很有必要。

4.1 科傻文件格式转换

科傻平差报告文件为标准的ASCII 码文件，可以使用任何文本编辑器进行编辑。根据控制网类型，将水准网平差报告文件后缀设置为.oul，平面网平差报告文件后缀设置为.ou2。可应用StreamReader 逐行读取报告文件信息，直到当前行含有“ADJUSTED HEIGHT”或“平差坐标及其精度”关键词，跳过空白行和空格，读取点号、高程或坐标，并赋值给定义好的变量，再按格式写入记事本文件。

4.2 平差易文件格式转换

平差易报告文件为标准的Word 文件，平差结果以表格形式存储。使用Microsoft.Office.Interop.Word 类库打开Word 文件，将平差结果表格赋值给定义好的Table 类变量，从单元格获取点号、高程或坐标，再按格式写入记事本文件。作业流程如图3 所示。

图3 平差易软件作业流程

4.3 CAD 转换成GIS 数据格式

当前，电力工程设计图格式多为CAD图，是监测系统中的重要基础数据源，但存在属性信息少、没有管理图形间的拓扑关系、不便分析统计等问题，系统建设时需将CAD 图转换成GIS 数据。应用ArcObjects、SuperObject 等组件开发模型，实现由CAD 格式DWG 数据转为ShapeFile、Geodatabase 等GIS 格式[4]。

5 电力建筑变形监测分析

5.1 基准点稳定性分析

变形监测网的稳定与否直接决定监测数据的质量和变形分析的可靠性，基准点稳定性分析是变形监测数据处理的重要内容。本文将稳定性分析分为三个步骤，首先要进行秩亏自由网平差求得控制点两期平差坐标，再经过平均间隙法和单点检验法来判断每个控制点的稳定性[5]。

5.1.1 秩亏自由网平差

电力建筑变形监测精度要求高，周围控制点易受电力设备运行影响，无法事先判断变形监测网中每个控制点的稳定性，因此在处理基准网变形监测各周期的测量成果时，不能事先给出已知数据，平差计算时必须采用自由网平差方法，即秩亏自由网平差。根据基准条件在分析中采用基于重心基准的秩亏自由网平差。

5.1.2 平均间隙法

平均间隙法主要用于监测网中不稳定点的检验与识别：先对监测网进行两周期图形整体检验，若检验通过，则确认所有基准点是稳定的 ；否则，需找出不稳定的点。经检验若平均点位偏移量显著，则要具体判断哪些点是稳定点，哪些点是移动点，同时进行单点检验。

5.1.3 单点检验法

假设两期观测精度相同，则可用t 检验法逐点进行位移显著性检验。设某点两期坐标差为：

5.2 电力建筑变形分析

变形量计算分析是变形监测数据处理的核心内容，主要包括沉降量分析、位移量分析、倾斜挠度分析、预测分析。

5.2.1 沉降量分析

①监测点沉降分析：根据观测数据，对两期或多期高程数据进行求差，计算出沉降量和累计沉降量后对监测点绘制沉降过程曲线。②建筑物整体沉降分析：建筑物的整体稳定性是确保建筑物结构稳定的必要条件，其局部不均匀沉降可能造成建筑物结构发生变化。在分析时以沉降量为标准，生成等值线，便于判断建筑物在某一位置的沉降量大小，观察各处的沉降量差值会不会危及建筑物安全。③建筑物间沉降差分析：电力工程建筑物之间通常存在衔接体，尤其是电力塔等设备，需要以连廊、管道、电缆等衔接体与其他建筑物连接，如果建筑物之间的沉降差值过大，将导致建筑物之间的衔接体结构发生变形，严重影响其安全和使用[4]。为此，在计算完监测点和建筑物的沉降量后，需要进一步对建筑物之间的沉降差进行计算分析。通过对衔接点进行高程观测，可计算衔接点的沉降差。

5.2.2 位移量分析

同沉降监测一样，在计算出建筑物各个监测点的水平位移量后，选定日期和建筑物，绘制各监测点的水平位移曲线图。另外，为更加直观地显示各个监测点的位移方向和大小，可绘制各监测点的位移矢量图。

5.2.3 倾斜挠度分析

对于空冷塔等高耸的电力建筑物，倾斜挠度是影响其安全的最主要因素。在分析时，以高度为纵轴、挠度值为横轴绘制曲线图，同时绘出建筑物整体倾斜方向和各层高度的倾斜方向。

5.2.4 预测分析

变形体的发展趋势和最终的变形量稳定分析，可为下一步施工决策和施工方法的调整提供科学依据。在工程前期，由于变形观测数据量少，应选择灰色系统进行预测分析[7-8]。当变形发展到后期，样本数据较多，且影响变形的多种因素已发展成时间变量单一因素，采用回归分析的方法解求变形与时间的函数关系，推出将来时刻的变形量。通过绘制变形量曲线图和预测模型曲线图，可直观判断所选用模型的预测效果。

5.3 建筑变形监测周期

根据观测周期建筑物变形监测数据分析变形结果，是电力建筑物安全的重要保障。在变形观测过程中，观测间隔时间是一个周期，需结合电力建筑的特点、变形规律、工程所在地条件以及影响建筑物变形的诸多自然因素（温度和风荷载），科学布局，合理监测。

6 结语

建筑物的变形状况直接影响电力的安全生产，进行建筑物变形监测是电力安全生产的重要保障。本文讨论了电力建筑变形监测数据的处理和分析方法，包括基准网稳定性分析、建筑变形分析、预测分析以及监测周期分析。结合工程实例和数据处理系统软件，验证了所述方法的可行性，对以后电力行业及相关行业的变形监测数据处理与分析有很好的参考意义。